金奭泳 공학박사 / 영남대학교 재료금속공학부 교수 1. 서론 생체재료에 관련된 산업은 우리사회가 노령화됨에 따라 유망한 미래산업의 하나로 여겨지고 있다. 그 중 근골격계 조직(뼈, 연골 등)의 선천적인 기형 및 질병 또는 산업화에 따라 급증하는 후천성 장애인의 기능회복을 위하여 국내외적으로 이에 대한 연구의 필요성이 절실히 요구되고 있다. 근골격계의 기능 장애는 개인의 삶의 질을 심각하게 저하시킬 뿐만 아니라 개인 및 국가 경제의 손실과 직결되기 때문이다. 현재 국내에서 사용되고 있는 근골격계 재건/재활 관련 대체조직의 대부분은 수입에 의존하고 있다. 고가의 수입제품의 사용은 심각한 경제적 손실 뿐 만 아니라 환자의 의료비 부담에 따른 양질의 의료혜택에도 지장을 초래하고 있다. 근골격계 관련의료산업의 세계시장 규모는 약 10조원에 이르고, 매년 10%~20% 정도 증가하고 있다. 국내시장 규모는 현재 약 1,000억원에 이르고 있다고 보고하고 있으며, 거의 전량을 수입에 의존하고 있다. 미국의 예를 들면, 지난 수십 년간 투자를 과감하게 한 결과 생명공학 분야의 기반 및 원천 기술의 확보로 세계시장에서 지속적인 우위를 유지하고 있으며, 최근에는 조직공학을 이용한 인간의 조직을 재생하는 새로운 기술의 개발로 경쟁국들과 생명공학 분야의 기술개발 격차를 더욱 넓이고 있는 실정이다. 지금까지 선진국에서 생체재료에 대한 체계적인 연구개발의 기반이 확립되었다고 하나, 면역학적, 생물학적, 기능적으로 완전한 조직 대체물의 개발에 대해서는 한정된 범위 내에서만 성공적이며, 인체조직의 생산과 임상적용은 아직도 많은 연구개발이 요구되고 있다. 치과나 정형외과에서 선천적이거나 후천적(외상, 골종양 등)으로 발생한 근골격계 조직의 손실은 완벽하게 치료하기가 매우 어렵다. 과거에는 보통 손상된 인체의 조직을 제거(tissue removal)하였으나, 현재에는 손상된 골 조직부위를 다른 생체재료로 대치(tissue replacement)하거나 임플란트를 사용해서 재생(tissue regeneration)하는 방법이 주로 쓰이고 있다. 그러나 생체재료를 장기간 사용하였을 경우 인체 내에서 해로운 반응을 일으키는 경우가 빈번하게 임상적으로 보고 되고 있다. 때문에 미래에는 손상된 조직을 체외나 체내에서 재생시키는 방법이 주로 사용될 것으로 예상된다. 지난 10여년간 국내외에서 근골격계 조직을 새로운 개념으로 제조하기 위한 방법이 매우 활발하게 진행되고 있다. 미국의 Harvard 의대 Vacanti 교수와 MIT의 Langer 교수팀이 처음으로 인간의 조직을 체외에서 재생할 수 있는 방법(조직공학, tissue engineering), 즉 천연조직과 꼭 같은 조직을 인공적으로 체외에서 제조할 수 있는 방법을 개발하였다. 그 후 국내외적으로 조직공학 기법을 사용하여 다양한 조직을 재생하려는 연구가 시도되고 있으며, 아직 만족할 만한 임상결과는 얻지 못했지만 일부 조직은 상품화된 것도 있다. 본 연구과제에서는 생분해성 세라믹 다공체를 제조하여 뼈난 연골세포를 복합화한 후 조직배양을 통하여 근골격계 재건용 대체조직을 개발하여 임상적용에 초점을 맞추고 있다. 2. 조직공학 조직공학의 목적은 손상된 조직이나 장기를 복원, 재건, 재생, 또는 대체하여 정상적인 기능을 하게하는데 있다. 조직공학을 통하여 뼈나 연골 조직을 제조하려면, 크게 4가지를 고려해야 한다. 첫째, 어떤 특정한 환자에게 필요한 조직을 재생하려면 그 환자 조직의 세포가 필요하다. 예를 들면, 뼈 조직이 필요하면 뼈세포(조골세포, osteo blast)가 필요한데 많은 숫자의 세포를 얻어야 한다. 그러기 위해서는 그 세포의 세포배양(cell culture)이 선행되어야 하는데, 이러한 기술들을 통틀어 세포기술(celltechno logy)라 한다. 둘째, 필요한 숫자의 세포가 얻어진 후, 세포가 어떠한 형태의 뼈 조직을 만들기 위한 생분해성 다공체가 필요하다. 이를 지지체(scaffold) 또는 matrix라 부르며, 보통 대부분의 조직을 재생하기 위해서는 생분해성 고분자로 만든 지지체가 많이 사용되나 뼈를 재생하기 위해서는 생분해성 인산칼슘계 세라믹 지지체도 사용할 수 있다. 셋째로 조직배양을 잘 하기위해서는 세포의 생명력을 유지시켜주면서 세포의 분열과 증식을 잘 할 수 있도록 하는 환경을 제공해야 한다. 이를 위해 최근 들어 정적조직반응기(static bioreactor)보다 동적조직배양기(dynamic bioreactor)의 장점이 확인 되면서 동적배양기를 많이 사용하는 추세이다. 넷째로 조직이 빨리 재생될 수 있도록 촉매역할을 하는 성장인자(growth factor)가 경우에 따라 필요하다. 3. 근골격계 조직 재생에 사용되는 세라믹스 가. 골조직 이식 및 매식 방법 현재, 인체의 손상된 조직의 치료는 현재 이식(transplantation)이나 매식(implantation)에 의하여 대치되고 있다. 조직이나 장기 이식은 자가이식(auto graft), 동종이식(homograft), 타종이식(heterograft, xenograft) 방법이 사용되고 있다. 그 중 자가이식 방법은 자가골내에 골형성에 중요한 요소를 다 포함하고 있기 때문에 가장 이상적인 방법으로 알려져 있으나, 이 방법을 사용했을 경우 다른 부위에 골 결손부를 남기고, 또 그 결손부에 감염이나 고통 등을 겪어야 되고, 골 채취량에도 한계가 있다. 차선책으로 다른 사람의 골을 이식받는 경우를 고려할 수 있으나 공여자(donor)의 조직 또는 장기가 적합하기가 매우 드물고 있어도 매우 비싸다. 또 면역억제제가 필요하며, AIDS나 바이러스성 질병이 전염될 위험성이 있는 문제점들이 있다. 동물의 골 조직을 사용했을 경우, 골이 흡수되거나 면역학적으로 문제가 되고 있다. 현재 대부분의 골 대치재료는 생체친화성이 우수한 인산칼슘계 세라믹 재료가 많이 사용되고 있다. 손상된 인체조직의 다른 대치방법으로 임플란트가 많이 사용되는데, 인체에 시멘트, 생물학적, 또는 생체활성 방법에 의하여 고정되고 있다. 그러나 현재 사용되고 있는 임플란트들은 모두 생명력이 없는 물질로 인체의 조직과 매우 다르고, 인체 조직에 고정하는데 어려움이 있다. 또 생리학적 환경 변화에 스스로 적응하거나 치료할 수 있는 능력이 없다. 때문에 장기적으로 사용될 경우 인체 내에 영구적으로 이물질로 남으며, 인체에 부정적인 영향을 준다는 임상보고가 있다. 나. 조직공학용 생분해성 세라믹 지지체 현재 연구개발 중이고 가까운 미래에 많이 임상에 응용될 조직공학적으로 제조된 조직의 임상적용은 지금까지 생체재료에서 발생 가능한 문제점을 완전히 해결할 수 있다. 즉, 조직공학적으로 제조된 조직을 사용하여, 선천적 또는 후천적인 골조직의 결함을 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 예상한다. 조직공학 기법을 사용하여 골조직을 재생시키는 목적은 선천적 또는 후천적으로 손실된 골조직을 대치 또는 회복시키기 위하여 본래의 골조직과 똑같은 조직을 만드는 것이다. 조직공학기법을 이용하여 조직을 생성할 때, 세포관련 기술 (세포배양 기술, 보관기술, 이식기술)과 적절한 지지체의 제조기술이 중요한 인자이다. 조직공학에 필요한 지지체는 생분해성 다공체로 골세포의 생명력을 유지시켜주고, 세포의 분열과 증식을 잘 할 수 있도록 하는 환경을 제공하면서 기계적인 강도를 유지하면서 최종적으로 환자에게 필요한 형태의 뼈를 제조할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 지지체로서 다음과 같이 몇 가지 필수조건이 있다. (1)생체친화성 - 인공 지지체에서 제일 중요한 조건이다. (2)기공크기 및 형상 - 세포의 부착이나 성장에 가장 중요한 요인으로 비표면적이 큰 것이 좋다. 기공의 크기는 세포의 종류에 따라 다르나 골세포는 200~400㎛의 크기가 좋은 것으로 보고되고 있으며, 3차원으로 기공간 서로 연결된 개기공(open pore)을 지녀야 한다. (3)생분해성 - 세포가 부착하고 증식, 분화 후 새로운 골 조직이 생성됨에 따라 지지체는 서서히 사라져야 한다. 즉 지지체의 생분해 속도의 조절이 매우 중요하다. (4)기계적 강도 - 특히 경조직을 생성할 때 지지체의 기계적 강도가 충분하여 그 형상을 유지해야 한다. (5)서방시스템 - 간혹, 항생제나 골형성인자 등을 함유시켰을 때 골 조직 생성을 향상시키기 위하여 조절된 속도로 서서히 방출되는 것이 필요하다. 조직공학을 통하여 제조된 인골공은 자가골 이식과 같은 효능을 가지면서 환자의 다른 부위에서 골을 채취하지 않으면서 손쉽게 시술할 수 있는 가장 이상적인 방법이다. 이러한 개념을 이용한 조직공학 기술은 지난 몇 년 동안 눈부시게 발전하여, 지금은 조직공학으로 제조한 인공피부가 시판되고 있으며, 가까운 장래에 골, 연골 등 다른 조직까지도 상품화가 되리라 기대하고 있다. 경조직의 재생/재건은 다른 조직에 비하여 비교적 큰 시장을 가지고 있으며, 점차 그 시장규모와 응용 범위가 확대될 것으로 예상된다. 최근 생체재료, 조직공학, 골세포 및 유전자 등 의료공학관련 기술의 급속한 발달로 조직공학을 이용한 골조직 대체물 제품이 예상보다 빨리 개발되리라 예상되고 있다. 이러한 세계적인 추세를 고려할 때, 하루빨리 국내에서도 골조직 대체물에 대한 집중적이고 체계적인 연구개발이 절실한 필요하다.